Tecniche di rilevamento per il monitoraggio del carico nell'automazione e nell'energia intelligente

Rilevamento per l'energia intelligente

Misurare l'energia è un fattore chiave nel mondo oggi per la conservazione delle risorse e per la corretta fatturazione. La chiusura delle centrali elettriche a combustibili fossili dovuta a iniziative quali la Direttiva grandi impianti a combustione UE sta costringendo le reti di alimentazione a fare maggior affidamento sulle fonti rinnovabili. A sua volta, questo solleva l'importanza della gestione della domanda e di incoraggiare i cambiamenti nel comportamento dei consumatori. I governi di tutto il mondo stanno annunciando implementazioni di smart meter che mirano a dare alle società di gestione e ai consumatori le informazioni necessarie per gestire la fornitura e ridurre la domanda per garantire la stabilità della rete lottando al contempo il cambiamento climatico.

La migrazione agli smart meter richiederà tempo, ma i dispositivi con visore per l'energia domestica (Figura 1) sono già installati. Presentano agli utenti i dati sul consumo in tempo reale per aiutarli a identificare le opportunità di risparmio. I calcoli di potenza ed energia dipendono dalla misurazione accurata del flusso di corrente raccolto da un sensore installato nel contatore che trasmette i dati in modalità wireless a un ricevitore e all'unità display in casa. Il sensore di corrente deve essere facile da installare con disagi minimi per il contatore esistente o il cavo di alimentazione principale che si collega alla rete elettrica: deve poter essere montato sul cavo di alimentazione senza bisogno di essere collegato in-circuit.

Figura 1: Un display di energia domestica composto da un sensore a tenaglia e un'unità di visualizzazione delle informazioni che fornisce i dati d'uso senza richiedere un upgrade totale a uno smart meter.

Rilevamento per la gestione e protezione delle apparecchiature

Ben diversi delle applicazioni di energia intelligente che stanno emergendo, i sensori di corrente isolati svolgono numerosi ruoli nell'automazione industriale, ad esempio contribuiscono a garantire il funzionamento efficiente delle apparecchiature, rilevano rapidamente i guasti alle attrezzature o coordinano gli interblocchi di sicurezza. Le correnti da rilevare possono variare da pochi milliampere a diverse decine o centinaia di ampere. L'invio delle informazioni a un PLC consente al sistema di impostare un avviso o intraprendere un'azione correttiva (Figura 2).

Figura 2: Controllo dipendente dalla corrente di macchine e circuiti esterni.

La correzione del fattore di potenza (PFC) è ampiamente usata per aiutare a migliorare l'efficienza energetica e prevenire la contaminazione con le armoniche della linea in corrente alternata. Carichi altamente induttivi come motori di grandi dimensioni hanno un basso fattore di potenza a meno che non siano collegati all'ingresso diversi banchi di condensatori di rifasamento. La capacitanza necessaria è ai massimi livelli alle condizioni di carico più elevate, quando il fattore di potenza è pessimo. A carichi più leggeri, tuttavia, può verificarsi un'ipercorrezione se la capacitanza non viene ridotta. Il monitoraggio della corrente di ingresso al motore consente al sistema di rilevare il carico applicato. Se il carico è leggero, un interruttore azionato a corrente può scollegare il condensatore PFC per evitare un'ipercorrezione.

In caso di guasto di un'apparecchiatura di fabbrica automatizzata, è fondamentale poterlo rilevare e adottare le misure correttive il più rapidamente possibile. Gli esempi includono il controllo di forni industriali o processi di produzione farmaceutica che richiedono il riscaldamento a una temperatura controllata con precisione. Qualsiasi guasto di un elemento riscaldante deve essere individuato rapidamente per evitare la perdita di produttività, ma il monitoraggio della temperatura può essere lento nel rilevare il guasto. Se non viene intrapresa alcuna azione fino a quando la temperatura cambia in modo significativo, la qualità può essere compromessa portando allo spreco di materiali preziosi. Rilevare il calo improvviso della corrente non appena l'elemento si guasta fornisce un'indicazione istantanea utilizzabile per attivare una risposta tempestiva come l'accensione di un riscaldatore ausiliario.

Allo stesso modo, il rilevamento dell'ingresso di corrente a un motore impedisce l'identificazione tempestiva di problemi come l'intasamento di un nastro trasportatore e del valore di corrente da inviare al PLC, in modo che il motore possa essere spento velocemente in sicurezza.

Un'altra applicazione per il rilevamento della corrente in impianti industriali è la gestione degli interblocchi di sicurezza. Questi possono essere progettati per proteggere gli operatori impedendo l'apertura degli sportelli di protezione mentre il macchinario è in funzione. In alternativa, gli interblocchi possono evitare danni alle apparecchiature o contribuire a coordinare i processi garantendo che vari azionamenti e attuatori possano funzionare solo nella sequenza corretta. Poiché l'assorbimento di corrente fornisce un'indicazione affidabile sullo stato di accensione o spegnimento di un sottosistema, gli interruttori azionati a corrente sono un mezzo ideale per coordinare questi interblocchi.

Infine, tra le iniziative volte a migliorare la sicurezza industriale in generale, la protezione dei guasti a terra viene attuata per ogni singola macchina in aggiunta al circuito di protezione solitamente installato presso gli interruttori di circuito principali. L'uso di un sensore di guasto a terra che controlla la corrente nelle linee di alimentazione verso l'apparecchiatura consente di rilevare in modo rapido e sicuro minime correnti di dispersione, sintomatiche di un guasto nel circuito di terra.

Scelte per il sensore di corrente

Gli attributi importanti di un sensore adatto per l'uso in circuiti di misurazione, interruttori azionati a corrente e rilevatori di guasto includono isolamento elettrico per una sicurezza ottimale, minimo assorbimento di potenza dal circuito monitorato, facilità d'uso e basso costo. A seconda dell'applicazione, anche la gamma di misurazione, la larghezza di banda e la capacità di resistere a condizioni ambientali difficili possono essere criteri importanti. I dispositivi come sensori Hall, trasformatori di corrente e sensori con bobina di Rogowski sono i tre tipi principali di sensori che soddisfano questi requisiti.

Sensori Hall

Il sensore di corrente a effetto Hall risponde al campo magnetico generato intorno al conduttore di trasporto della corrente e produce una tensione di uscita proporzionale alla corrente circolante nel conduttore. Un tipico sensore di corrente lineare combina un CI contenente l'elemento di Hall e un nucleo magnetico, progettato per concentrare il flusso magnetico sul CI a effetto Hall. Il CI e il nucleo sono progettati in un alloggiamento in plastica che garantisce un posizionamento preciso di entrambi i componenti l'uno rispetto all'altro.

Il sensore Hall TLI4970 di Infineon contiene elementi Hall differenziali e non necessita di un concentratore. Gli effetti di isteresi sono eliminati in quanto non è richiesto un concentratore e il principio di rilevamento differenziale impedisce ai campi magnetici esterni di interferire con la misurazione della corrente. TLI4970 integra sensori Hall al fianco di circuiti di condizionamento del segnale analogici e digitali (Figura 3) e occupa circa un sesto dello spazio su scheda necessario a sensori paragonabili. È in grado di misurare correnti continue e alternate fino a ±50 A. L'alta capacità di misurazione della corrente è un noto punto di forza dei sensori Hall, sebbene altri sensori come i trasformatori di corrente e le bobine di Rogowski offrano generalmente una maggiore linearità nel rispettivo intervallo di misurazione.

Figura 3: TLI4970 elimina gli effetti di isteresi e consente di risparmiare spazio sulla PCB.

Trasformatori di corrente

I trasformatori di corrente sono utilizzati da molto tempo per il controllo, la protezione dei circuiti e il monitoraggio in apparecchiature quali alimentatori a commutazione e anche per la misurazione precisa della corrente in applicazioni di strumentazione. Questi dispositivi sono in grado di misurare le correnti alternate e forniscono isolamento elettrico tra gli avvolgimenti primario e secondario.

La portata di corrente dell'avvolgimento primario determina in modo efficace l'intervallo di misurazione e un alto rapporto di spire permette misurazioni ad alta risoluzione. In funzione del trasformatore di corrente e dell'applicazione, questo rapporto può essere 1:20 e 1:1000. Un rapporto eccessivamente elevato può accentuare gli effetti capacitivi e induttivi nel trasformatore, portando a misurazioni imprecise. D'altro canto, selezionando un rapporto di spire troppo basso si possono introdurre imprecisioni a causa della distorsione del segnale in uscita.

Uno svantaggio dei trasformatori di corrente è che i dispositivi adatti per misurare correnti elevate possono essere fisicamente grandi. D'altra parte, i piccoli trasformatori di corrente a montaggio superficiale, ad esempio la serie 5300 di Murata, sono adatti per l'uso in apparecchiature come controlli motore, alimentatori a commutazione e ballast di illuminazione elettronici e possono misurare correnti fino a circa 10 A con una larghezza di banda massima di 500 kHz.

I tipici trasformatori di corrente sono avvolti intorno a un nucleo toroidale in metallo, attraverso il quale deve passare il cavo elettroportante. In alternativa, un design split-core permette di aggraffare il trasformatore di corrente intorno al cavo, agevolando l'installazione del sensore, come nell'esempio dell'unità di visualizzazione dati per uso domestico. CR Magnetics propone la serie CR4100 di trasduttori di corrente c.a. RMS puri in grado di misurare con precisione le forme d'onda di corrente sinusoidale o non sinusoidale. Questi prodotti possono essere ordinati in configurazione toroidale o split-core.

Sensori con bobina di Rogowski

I sensori di corrente che utilizzano il principio della bobina di Rogowski e sembrano offrire una serie di vantaggi rispetto ai sensori Hall o ai trasformatori di corrente. Tra questi, la capacità di misurare grandi correnti senza saturazione, maggiore larghezza di banda rispetto ad altri tipi di sensore e la capacità di misurare correnti molto variabili fino a diverse migliaia di ampere al microsecondo. Possono anche misurare piccole correnti in c.a. con un grande offset c.c.

Un sensore di corrente con bobina di Rogowski è posizionato intorno al conduttore elettroportante, come illustrato nella Figura 4. La corrente che scorre nel conduttore induce una tensione nella bobina, che è proporzionale alla velocità di cambiamento della corrente. Il flusso di corrente istantanea viene quindi calcolato integrando questa tensione. Il circuito integrante può essere implementato esternamente o può essere implementato nel sensore per produrre sui terminali di uscita una tensione proporzionale alla corrente. Poiché la bobina non è collegata elettricamente al circuito elettroportante, l'isolamento elettrico è implicito.

Figura 4: La bobina di Rogowski è posizionata intorno al cavo che trasporta la corrente da misurare.

I sensori di corrente con bobina di Rogowski possono essere progettati per misurare correnti che vanno da poche centinaia di milliampere a centinaia di kiloampere.Pulse Electronics offre moltissimi sensori, tra cui la serie PA320 con una gamma dinamica da 0,1 a 1000 A, larghezza di banda di 500 kHz e altissima precisione che rispetta le specifiche ANSI C12.20 classe di precisione 0.2 e IEC 62053-21 classe 1. Questo consente l'uso dei sensori per la misurazione della corrente di precisione negli smart meter.

Conclusione

Dalla misurazione della corrente ad alta precisione nei contatori, allo sfruttamento del monitoraggio della corrente ad alta velocità per aiutare a gestire macchinari industriali e rilevare guasti critici immediatamente, i sensori di corrente a effetto Hall, i trasformatori di corrente e i sensore di corrente con bobina di Rogowski attuali danno ai progettisti scelte flessibili per realizzare una soluzione che soddisfi obiettivi importanti quali prestazioni, affidabilità e costi.